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Füllstandsmesser
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Füllstandsmesser Die Erfindung bezieht sich auf einen FUllstandsmesser
zur Messung des Füllstandes von mit einem Medium, wie zgBç Flüssigkeiten, Granulaten
und Pulvern gefüllten Behältern, mit einem Meßgeber und einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung.
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Es ist eine Vielzahl von Füllstandsmessern bekannt, die die verschiedensten
Techniken und Parameter verwenden. Beispiele hierfür sind Schwimmer-Füllstandsmesser,
mit Strömungsmedien arbeitende Druckmeß-Füllstandsmesser sowie auf der Messung elektrischer
Parameter beruhende Füllstandsmeßverfahren. oder kapazitive Bekannte induktive Füllstandsmesser
weisen eine relativ geringe Genauigkeit und einen komplizierten Aufbau auf und sie
sind in ihrer Anwendung hinsichtlich der Medien, deren Füllstand gemessen werden
soll, begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandsmesser der
eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau eine wesentlich verbesserte
Genauigkeit aufweist und der für beliebige Medien geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem FUllstandsmesser der eingangs
genannten Art erfindungsgerräß dadurch gelöst, daß der Meßgeber durch eine gegen
den direkten An griff des Mediums geschützte Meßimpedanz gebildet ist, die in das
Medium eingetaucht wird, und daß die Veßimpedanz einen Teil der frequenzbestimmenden
Bauteile eines Oszillators bildet, dessen Ausgang mit dem-Eingang der Auswerte-und
Anzeigeeinrichtung verbunden ist, die die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators
auswertet.
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Der erfindungsgemäße Füllstandsmesser ermöglicht die Messung des Füllstandes
von praktisch beliebigen Medien wie Flüssigkeiten, Granulaten und Pulvern, unabhängig
davon, ob diese leitend oder nichtleitend sind, wobei die Messung über einen Temperaturbereich
von 0° Kelvin bis ca 1500° Kelvin anwendbar ist. Der erfindungsgemäße Füllstandsmesser
nutzt die Tatsache aus, daß dlie Induktivität jeder Hochfrequenzspule bzw die KapazitEt
von in das Medium eingetauzhten galvanisch isolierten Kondensatorbelägen durch die
verschiedenen umgebenden Medien unabhängig davon, ob diese leitend, nichtleitend,
magnetisch, paramagnetisch oder diamagnetisch sind, eine Anderung erfährt Diese
Anderungen können in Abhängigkeit von den Medien unterschiedlich sein, sie sind
in jedem Falle meßbar. Das erfindungsgemäße Meßprinzip ermöglicht beispielsweise
sehr genaue Messungen bei flüssiger Luft (87° Kelvin) als auch bei flüssigem Blei
(600° Kelvin) durchzuführen.
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Durch entsprechende Materialauswahl für die die Indukg tivität bildende
Spule, die als Meßimpedanz verwendet wird, können weiterhin sehr geringe Temperaturkoe
effizienten erzielt werden und durch Verwendung einer Wick lung mit progressiver
Steigung karin eine Linearisierung des Frequenzganges in Abhängigkeit von dem Füllstand
erzielt
werden. Bei agressiven Medien kann die Wicklung bespiels
weise in einen Quarzstab bzw. ein Glas mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten
eingeschmolzen werden, so daß sich ein zuverlässiger Schutz der Induktivität gegen
äußere Einflüsse ergibt.
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Bei Ausgestaltung der Meßimpedanz als Kapazität können die Kondensatorbeläge
vorzugsweise durch auf die Außenfläche oder Innenfläche eines Isolierrohres aufgebrachte
Metallislerungen gebildet seinp die gegen den direkten Angriff des Mediums geschützt
sind.
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Vorzugsweise wird die durch die Füllstandsä.nderung hervorgerufene
Frequenzänderung des Oszillators nicht direkt gemessen sondern es wird ein zweiter
im wesentlichen gleicher Oszillator aufgebaut, der räumlich sehr eng mit dem ersten
Oszillator vereinigt wird, so daß äußere Einflüsse auf diese beiden Oszillatoren
gleiche Frequenzänderungen hervorrufen.
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Die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren werden miteinander gemischt
und das sich ergebende Differenzsignal wird als Nutzsignal verwendet und der Auswerteschaltung
zugeführt.
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Auf diese Weise ergibt sich eine noch weitergehende Verbesserung der
Genauigkeit des Füllstandsmessers. Die beiden Resonatoren der beiden Oszillatoren
sind vorzugsweise in Form eines monolithischen dreipoligen Quarzresonators ausgebildet,
wodurch sich einerseits eine Verringerung des Raumbedarfes und andererseits eine
verbesserte Gleichheit der elektrischen Parameter ergibt.
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Dieser dreipolig Resonator kann vorzugsweise gleichzeitig die Mischstufe
zur Mischung der Ausgangssignale der beiden Oszillatoren bilden9 so daß sich ein
sehr kompakter Aufbau ergibt Der weitere Oszillator weist in seinem frequenzbestimmenden
Kreis vorzugsweise eine Ziehkapazitat auf, mit der ein Nullabgleieh des Füllstandsmessers
durchgeführt werden kann Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen noch näher erlNutert.
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In der Zeichnung zeigen; Fig. 1 ein verallgemeinertes Blockschaltbild
einer Ausführungsform des Füllstandsmessers; Fig. 2 eine Ausführungsform der Induktivität
des Füllstandsmessers nach Fig. 1; Fig 3 ein ausführllcheres Blockschaltbild einer
weiteren Ausführungsform des Füllstandsmessers.
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In Fig. 1 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild einer Ausführungsform
des Füllstandsmessers dargestellt. Dieser Füllstandsmesser weist eine die Meßlmpeianz
bildende Induktivität L auf, die mit einem ersten Oszillator 01 verbunden ist, der
vorzugsweise als Quarzoszillator ausgebildet istg wobei die Induktivität L als Ziehinduktivität
für den Quarzresonator wirkt. Das Ausgangssignal des Oszillators O1 wird einem Eingang
einer Mischstufe M zugeführt, deren anderem Eingang das Ausgangssignal eines zweiten
Oszillators °2 zugeführt wird.
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Dieser zweite Oszillator ist ebenfalls vorzugsweise als Quarzoszillator
ausgebildet wobei eine Ziehkapazität C eine Anderung der Frequenz des Oszillators
O2 in gewissen Grenzen ermöglicht. Die Schwingfrequenz der Oszillatoren O und O2
ist vorzugsweise im wesentlichen gleich, wobei mit Hilfe der Ziehkapazität C bei
einem Füllstand von O ein Nullabgleich des Füllstandsmessers durchgeführt werden
kann.
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Das die Differenzfrequenz darstellende Ausgangssignal der Mischstufe
M wird einer Auswerte- und Anzeigeschaltung A geführt, die entweder eine Analog-
oder Digital-FreQlzn zeigeschaltung einschließen kann. Die den Meßgeber bildendt
Induktivität
L wird in das Medium, dessen Füllstand zu messen ist, elngetauchtS wodurch sich
der Induktivitätswert dieser Induktivität in Abhängigkeit von dem Füllstand sowie
den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums ändert. Da die dielektrischen
und magnetischen Eigenschaften der meisten in Frage kommenden Medien bekannt und
konstant sind, kann anhand der auftretenden Anderung des Induktivitäts wertes und
damlt der Ausgangstrequenz des Oszillators 01 der Füllstand bestimmt werden, wobel
die relative Frequenzände rung am Ausgang der Mischstufe M wesentlich größer ist
als die relative Frequenzänderung des Oszillators O1 und weiterhin der Vorteil erzielt
wird, daß auf Grund von Temperaturänderungen oder Betriebsspannungsänderungen auftretende
Xnderungen der Schwingfrequenz der Oszillatoren kompensiert werden.
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Die Meßimpedanz kann auch durch eine Kapazität gebildet sein, die
beispielsweise die Form eines Isolierrohres mit auf der Außen oder Innenfläche aufgebrachten
Metallbelägen aufweist, das In das Medium eingetaucht wird. Diese Ausführungsform
ist insbesondere für die Messung geringer Füllhöhen in Flüssig keinen geeignet Die
Metallbeläge können ebenfalls zur Linearisierung eine entsprechende angenähert dreieckige
Form mit sich progressiv vergrößernder Breite aufweisen. In diesem Fall kann die
zum Nullabglelch dienende Ziehkapazität auch durch eine Ziehinduktivität ersetzt
werden.
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-In Fig 2 ist eine Ausf;rungsform der Induktivität L nach Fig 1 dargestellt
Diese Induktivität besteht aus einer Wicklung 1, die auf einen Körper 3, vorzugsweise
aus Quarz glas aufgebracht ist und die entweder in diesen Körper 3 eingeschmolzen
oder durch eine isolierende Schicht 2 geschützt ist Die Windungen der Induktivität
L können entweder mechanisch auf den Körper 3 aufgewickelt oder durch Einbrennver
fahren Aufdampfverfahren oder Materialzerstäubung aufge bracht werdende Das Material
des Körpers 3 besteht vorzugsweise
aus Glas, Quarz, Keramik, Glaskeramik
oder aus Sintermetalloxyden oder Saphir, um eine geringe Wärmeausdehnung zu erzielen,
die zu einer Frequenzänderung führen würde.
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Weiterhin sollten diese Materialien gegenüber dem Medium, dessen Füllstand
gemessen werden soll, ausreichend widerstandsfähig sein. Die Isolierung der Induktivität
kann dadurch errolgen, daß die Windungen der Induktivität in das Grundmaterial des
Körpers 3 eingeschmolzen werden oder daß eine aufgeschrumpfte Kunststoffhülle aufgebracht
wird. Weiterhin ist es möglich, die Wicklung durch Uberspritzen mit einem Kunststoff
zu isolieren oder es kann ein thermisches Glasierverfahren sowie ein Hochvakuum-Zerstäubungsverfahren
zum Aufbringen einer ausreichenden und widerstandsfähigen Isolation verwendet werden.
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Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist der Abstand der einzelnen Windungen
1 der Induktivität nicht konstant. Der Verlauf der Windungsabstände ist so gewählt,
daß sich eine möglichst lineare Anzeige des Fülistandes ergibt Die Steigung der
Wicklung kann entweder empirisch oder rechnerisch in Abhängigkeit von dem Schwingverhalten
des Oszillators °1 festgelegt werden. Die auf die vorstehend beschriebene Weise
hergestellte Spule ergibt auf Grund der erzielbaren mechanischen Stabilität sehr
genaue elektrische Werte.
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In Fig. 3 ist ein ausführliches Schaltbild einer Ausführungsform des
Füllstandsmessers dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Quarzresonatoren
der Quarzoszillatoren °1 und 02 nach Fig. 1 zu einem gemeinsamen monolithischen
Quarzresonator R mit drei Elektroden vereinigt. Auch die aktiven Elemente, d.h.
die Schwingtransistoren Q1' Q2 der Oszillatoren sind in Form eines Doppeltransistors
ausgebildet, so daß sich eine sehr weitgehende Identität der elektrischen Werte
der beiden Oszillatoren ergibt. In den Kreis des mit dem Transistor Q1 verbundenen
Resonatorabs
schnittes ist die Induktivität L als Ziehinduktivltät
ein geschaltet während in den Kreis des mit dem Transistor Q2 verbundenen Resonatorabschnlttes
eine Ziehkapazität C eingeschaltet|istb Diese Ziehkapazität C ermöglicht einen Nullabglelch
des Füllstandsmessers und nachfolgende Temperatur-und Betriebsspannungsänderungen
rufen gleiche änderungen der Schwingfrequenz der beiden Oszillatoren Oi 02 hervor,
so daß diese änderungen ohne Einfluß auf die Differenzfre quenz bleiben. Diese Differenzfrequenz
wird an der dritten Elektrode des Resonators R abgenommen, so daß sich die Verwendung
einer getrennten Mischstufe erübrigt.
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Dieses die Differenzfrequenz darstellende Ausgangssignal des Resonators
R wird einer Verstärkerstufe zugeführt» an deren Ausgang über ein Siebglied mit
der Drossel D2 und den Kondensatoren C3, C4 das Ausgangssignal zur Verfügung steht,
das einer Anzeigeschaltung zugeführt werden kann. Diese Anzeigeschaltung kann entweder
eine Analoganzeige oder eine Digitalanzeige der Differenzfrequenz liefern, wobei
eine Linearisierung des Verhältnisses zwischen dem Füllstand und der Differenzfrequenz
durch entsprechende Steigung der W1cklung der Induktivität L erzielt werden kann6
Die beiden Oszillatoren nach Fig 3 sind identisch aufgebaut» so daß im folgenden
nur der den Transistor Qi einschließende Oszillator beschrieben wird. Entsprechende
Bauelemente des Oszillators mit dem Transistor Q2 sindmit den glelchen Bezugszeichen
unter. AnfUgung eines Striches bezeichnet.
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Der Oszillator Oi weist einen Basisapannungsteiler mit den Widerständen
R1, R2 sowie einen kapazitiven Spannungsteiler mit den Kondensatoren C1, C2 auf,
wobei der Mittelpunkt des Spannungsteilers mit den Widerständen R1, R2 mit der Basis
des Transistors Q1 verbunden lsts während der Mittelpunkt des kapazitiven Spannungsteilers
mit dem Emitter des Transistors verbunden ist Das heiße Ende des kapazitiven Spannungsteilers
ist ebenfalls mit der Basis des Transistors verbunden
Der Emitter
des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R3 mit Erde verbunden während der Kollektor
dieses Transistors direkt mit dem nicht mit Erde verbundenen Pol der Betriebs spannungsquelle
verbunden ist. Der monolithische Resonator R ist einerseits mlt Erde verbunden und
die dem Transistor Q1 zugeordnete Elektrode ist über die Induktivität L mit der
Basis des Transistors Ql verbunden.
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Der die Differenz verstarkende Verstärker ist in üblicher Weise aufgebaut
und weist ebenfalls einen Basisspannungsteiler mit den Widerständen R4 und R5 sowie
einen Eitterwiderstand R6 auf. Der Kollektor ist über eine Drossel D1 mit der Betriebsspannung
verbunden und das Ausgangssignal wird an diesem Kollektor über einen Kondensator
C5 dem Siebglied zugeführt.
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Die beiden Oszillatoren können zu einer sehr- kompakten Einheit vereinigt
werden, so daß Temperatur- und Betriebsspannungsänderungen gleiche Auswirkungen
auf die Resonanzfrequenz der beiden Oszillatoren haben und diese Frequenzänderungen
keine Auswirkung auf die Differenzfrequenz haben. Der Betriebs spannungsbedarr dieses
Zustandsmessers ist sehr gering und es ergibt sich eine sehr hohe Genauigkeit, die
um mehrere Größenordnungen gegenüber bekannten Meßverfahren verbessert ist. Die
Schwingfrequenz des monolithischen Quarzresonators R kann beispielsweise bei etwa
8 MUz liegen, da bel diesen Frequenzen der Kristall klein ist und gleichzeitig eine
hohe Stabilität aufweist Selbstverständlich ist es auch mögliche die mit dem Auarzresonator
verbundene Oszillatorschaltung anders aufzubauen, wofür eine Vielzahl von bekannten
und vielfältig angewendeten Schaltungen zur Verfügung steht. Beispielsweise kann
die gesamte Oszillatorschaltung ohne den monolithischen Quarzresonator R, die Ziehinduktivität
L und den Abstimmkonden sator zu C in Form e liner einzigen integrierten Schaltung
aus gebildet sein.